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现代处理器设计的核心:集成与效率

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不断提高运算速度和降低能耗,这是让古老的x86架构延续的永恒动力,也是对现代处理器设计带来的全新挑战。

来源:TechTarget中国 2013年12月29日

关键字: x86 处理器

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不断提高运算速度和降低能耗,这是让古老的x86架构延续的永恒动力,也是对现代处理器设计带来的全新挑战。

直到今天,x86系统设计者们面临的主要挑战仍然和过去一样,那就是要在当前的制造技术条件下将更多晶体管塞进更小的空间,而且要尽力减少能耗.企业级系统设计师们发现,对于大数据处理、普通私有云、高性能计算或Web服务相关的计算任务而言,单处理器并不是正确的选择。相反,对特定任务使用专门的处理器设计方案可以提供卓越的计算性能——而且能耗只相当于传统x86处理器能耗的一小部分。

这并不是什么新概念。从打印机、网络设备,到各种工业系统,专用、指令集简单的处理器在x86普及之前就已经十分普遍了。最近智能手机和平板电脑的流行也证实了,处理器在极低的能耗下也能拥有强大的处理性能。这些设计理念为未来企业处理器提供了全新和令人兴奋的指导方向,并向设计师们提供了用于替代下一代数据中心系统处理器的多种选择。

专用化的x86处理器

留意新出现的为特定目的定制的专用处理器,旨在满足特定设备类型的独特的计算需求,同时保持与x86指令集的兼容性。这一思路的一个典型例子是英特尔的Atom系列处理器。最初的Atom型号只针对移动设备和平板电脑应用,但第二代Atom的各种变形则已经可以支持多种企业级任务。

例如,AtomAvoton定位于微服务器——新兴的、易于安装和维护的低功耗、可扩展计算装置。一套微服务器可能包括操作系统、硬件和由系统供应商预装的应用程序,用于轻量任务处理(例如HTML网页服务,或处理大数据分析中的分支任务。)Avoton处理器最值得企业关注的原因是,它为低功耗的Atom核心增加了64-bit支持,还有适合高吞吐量的太网控制器和虚拟化功能。Avoton芯片也将使用新的22纳米制造工艺,新工艺允许晶体管立体堆叠而不再仅仅是平面分布。这带来了更低的能耗需求和更短的晶体管间布线,获得更佳的性能。

另一个例子是AtomS12x9系列,提供多达40个PCIExpress(PCIe)通道供处理器和I/O设备(例如磁盘驱动器)使用。这些Atom也集成硬件RAID加速和NativeDual-Casting功能,后者允许同时进行从一个位置读取和写入两个位置的数据操作——适合用于数据保护的技术,如内存镜像。这些强调I/O支持和数据保护的特点使AtomS12x9家族适用于存储子系统,例如存储服务器。

再有就是AtomRangeley处理器,定位于网络设备,如路由器、交换机和安全设备。它的专长是处理信流量密集的工作负载,其加密引擎支持128-、192-和256-bitAES,3DES,DES和Kasumi密码,以及类似的认证、公共密钥加密和随机数生成功能。

针对特定目的专用处理器通常采用系统级芯片(SoC)方案,将一台完整的计算机所需的几乎所有必要组件封装到单个芯片内部。例如,Avoton和Rangeley处理器预计会集成双通道双倍数据速率第3版(DDR3)内存控制器,最高支持64GB的纠错码(ECC)内存以及一些PCIe控制器、SATA控制器、千兆以太网控制器、USB和其他传统I/O(例如SMBus和UART)控制器。SoC集成减少了系统整体所需的芯片数量,降低了成本,并由于缩短了处理器芯片和其他功能模块之间的连接距离而提高了性能。

尽管上述Atom变种还没有集成显卡,已经有越来越多其它的现代SoC设计方案集成了图形处理单元(GPU)来协助可视化相关的任务。一个很好的用途可能包括必须提供更复杂的渲染、图像或视频类实时媒体功能的桌面虚拟化(VDI)服务器,如果没有显卡的辅助,这些功能会将传统的处理器拖垮。GPU功能也会出现在主流的x86服务器处理器中,例如最新的英特尔至强E3和AMD的新款皓龙X系列处理器。

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